开发PAM调制解调系统电路

采样定理在通信系统、信息传输理论方面占有十分重要的地位。采样过程是模拟信号数字化的第一步，采样性能的优劣关系到通信设备整个系统的性能指标。利用采样脉冲把一个连续信号变为离散时间样值的过程称为采样，采样后的信号称为脉冲调幅（PAM）信号。本论文研究和实现了可以用于通信原理实验，功能完备的PAM调制解调系统。

本论文针对实验室需求特点，系统地论述了PAM调制解调技术的现状、发展和电路的设计制作过程及应用，采用脉冲产生模块，函数信号发生模块，电源模块，PAM调制解调模块等四个模块开发简易多功能通信原理实验系统，除了实现采样定理实验外，还可以充当信号发生器提供实验中常用信号（如三角波，正弦波，方波，脉冲波），直流稳压电源等功能。

本设计所研究和开发的PAM调制解调系统电路，可为实验室相关实验的开设和后续研究提供实用的研究平台。

关键词：PAM，采样定理，信号发生器，稳压电源

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ABSTRACT

Sampling Theorem is very important both in theory of communication systems and information transmission. Sampling process is the first step of converting analog signals into digital signals and the performance of the sampling is related to performance of the communication equipments. Sampling is the process of using sampling pulse to turn a continuous signal into a discrete time signal, and the latter is called Pulse Amplitude Modulation (PAM) signal. This thesis studies and realizes a fully functional system--PAM modulator and demodulator, which can be used in communication principle labs.

The thesis is targeted at the needing features of laboratory, and describes the current situation and development of PAM technologies, the circuit design and application. It uses pulse generator module, function signal generator module, power module and PAM module to develop a simple experimental system with multiple functions. It can not only realize the sampling theorem experiment, but also act as a signal generator which can provide triangle wave, sine wave, square wave and pulse wave and a DC power supply, etc.

The PAM modulation and demodulation system, which is studied and developed by this thesis, provides a practical research platform for related laboratory experiments in the future.

Keywords: PAM, Sampling, Theorem, Signal Generator, Power Regulators

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目录

摘要 ................................................................................................................................ I ABSTRACT .................................................................................................................. II 第1章 绪论 .................................................................................................................. 1

1.1背景 ................................................................................................................. 1

1.1.1 采样定理的现状和地位 .................................................................... 1 1.1.2 信号产生技术状况 ............................................................................ 1 1.1.3 电源发展趋势 .................................................................................... 2 1.2 课题主要研究内容和意义 ............................................................................ 2 第2章 PAM概述和原理 ............................................................................................ 4

2.1 PAM原理 ....................................................................................................... 4

2.1.1 采样信号的时域分析 ........................................................................ 4 2.1.2 采样信号的频域分析 ........................................................................ 5 2.2 滤波器的原理 ................................................................................................ 6

2.2.1 设计要点 ............................................................................................ 7 2.2.2 滤波器的原理及论证 ........................................................................ 7 2.2.3 Sallen Key滤波器数学分析 .............................................................. 8

第3章 PAM采样系统的实现 .................................................................................. 10

3.1 PAM系统框图 ............................................................................................. 10 3.2 电压保持电路 .............................................................................................. 10

3.2.1 采样保持电路的原理 ...................................................................... 10 3.2.2 目前常用的采样保持芯片 .............................................................. 12 3.2.3 对保持电容大小的分析 .................................................................. 13 3.3 滤波器的MULTISIM仿真及分析 ............................................................ 14 3.4 PAM调制解调模块电路 ............................................................................. 15 3.5 脉冲产生模块电路 ...................................................................................... 16 第4章 信号产生电路与电源的实现 ........................................................................ 17

4.1 信号发生器概述和原理 .............................................................................. 17

4.1.1 相移法 .............................................................................................. 17 4.1.2 文氏桥 .............................................................................................. 18

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4.1.3 集成电路ICL8038 .......................................................................... 18 4.2 信号发生器的设计 ...................................................................................... 19

4.2.1 信号发生器设计方案论证 .............................................................. 19 4.2.2 函数信号产生单元电路设计 .......................................................... 21 4.3 电源设计 ...................................................................................................... 22

4.3.1 线性稳压电源设计 .......................................................................... 22 4.3.2 电源电流的扩展 .............................................................................. 23 4.3.3 直流稳压电路单元的设计 .............................................................. 23

第5章 系统测试分析 ................................................................................................ 25

5.1 系统各模块的最终方案 .............................................................................. 25 5.2 系统测试和结果分析 .................................................................................. 25

5.2.1 电源模块测试 .................................................................................. 25 5.2.2 信号产生模块测试 .......................................................................... 26 5.2.3 PAM模块测试 ................................................................................. 26 5.2.4 测试结果分析 .................................................................................. 27

第6章 结论 ................................................................................................................ 30 致谢 .............................................................................................................................. 32 附录1 电源与信号电路原理图 ................................................................................. 34 附录2 PAM调制与解调电路原理图 ........................................................................ 35 附录3 PAM调制解调模块PCB板图（反面） ....................................................... 36 附录4 PAM调制解调模块PCB板图（正面） ....................................................... 37 附录5 电源与信号产生模块PCB板图 ................................................................... 38 附录6 电路板图 ......................................................................................................... 39

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第1章 绪论

1.1背景

1.1.1 采样定理的现状和地位

PAM技术在通信原理课程中有着举足轻重的意义，是通信原理实验中不可缺少的实验之一，同时在实际应用中，随着数据采集技术的迅速发展和微型计算机的介入，采样系统正逐渐取代以往模拟电路实现的复杂的线性和非线形功能。

虽然采样系统比模拟电路花费大，但是这些采样系统具有可编程性，而且运用的许多算法都是信号处理领域中发展的结果，在某些情况下，能够完成现行的模拟技术不能实现的功能。例如我国通常都选用特性较好的对绞线构成HDSI 的传输系统，使用容易实现且成本低的PAM 编码方式。

随着应用的增加，产生了一个相应的要求，就是理解采样系统对模拟接口所要求的理论基础，这种现象尤其表现在高校教学中。

1.1.2 信号产生技术状况

正弦波以及脉冲三角波等各种信号的产生和处理也是电路设计中经常遇到的问题，它们要求有恒定控制的线形振荡器，所以对电路设计要求比较高，这一类电路应用于各个领域，包括音频测试，设备校准，转换器驱动，功率调节和自动测试ATE，它时常要求控制频率，幅度和失真，而且在许多应用场合必须同时控制这三个参数，尤其是正弦波。

现在市面已经有很多很成熟的信号发生技术，有基于DDS的高分辨率信号发生器[6]，有低频数字式移相信号发生器，基于VME总线的高精度信号发生器还有三电平逆变电源门驱信号发生器等等[3]。它们一般精度很很高，性能不错，价格当然也不便宜，一般用在科学研究和高精度生产线上。

最早用于实验教学用的信号发生器最早的信号发生器使用一个简单的射频振荡器和改变调谐电路的电容或电感来改变频率。早期仪器的电平控制不是自动的，当频率在数值上有明显的变化时，操作员必须重调载波电平。近期的仪器具有自动电平控制。使用检波器驱动控制电压，以调整振荡器或调整可变增益放大器的增益而保持输出电平，它也叫基频信号发生器 。

目前最热门的是直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，简

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称DDS 或DDFS），它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。

1.1.3 电源发展趋势

直流稳压电源的发展趋势，可概括为：高频化、高效率、无污染、模块化。 1．高频化——是缩小电源体积重量、提高功率密度的重要技术途径；高频化又是提高电源动态品质的重要保证。小功率DC／DC直流二次电源，开关频率将达到1兆赫或更高。功率密度也将由现在的每立方英寸50W提高到100w以上。

2．高效率——作为电源，效率是重要的指标之一。效率高，发热损耗小，散热容易，才容易做到高功率密度。

3．无污染——电力电子装置和电源的大量广泛应用，使输入电流中的谐波显著增加，功率因数显著降低，使供电网受到污染。开关电源的输入端常常是二极管整流电容滤波的 组合电路，其输入电流波形呈尖脉冲状，交流侧功率因数只有0.6-0.7。

4．模块化——以适应分布式电源系统供电的需要。过去功率不大时，电源均是采用单一集中的供电方式。近年来均是采用分布式供电。

1.2 课题主要研究内容和意义

在通信原理实验中，要用到方波，正弦信号，脉冲信号等多种信号源和一个合适的直流稳压源，而PAM采样定理是通信原理最基本的实验之一，可是目前市场上还没有集成这些功能的仪器，只能买价格昂贵的实验箱，如果使用标准产品，虽然性能指标高，但价格昂贵，需要购买多样设备，且许多功能都用不上，造成资源浪费。因为一般学校实验用的信号发生器和直流稳压电源不需要很高的指标，故根据所学数字和模拟电路知识，设计一个电路结构相对比较简单，但仍能满足一般的实验要求，并且其成本较低，体积小的PAM采样定理实验板更易为学校、学生所接受。

而且大多数高校配备的不同层次的实验箱对学生而言是不透明的，本设计希望通过简易元件、电路，实现对通信原理理论的深入理解，同时锻炼学生的动手能力和创新能力，巩固学生的理论知识，以达到学以字致用，学有所长的目的。

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本设计就是结合高校实验室应用特点，制作PAM编译码系统实验板并提供其外围电路，其中包括8K脉冲，可调方波，正弦波信号发生器以及各种实验电源。以电路为母体从一个全新的角度阐述混叠的概念和采样定理以及各种信号源的原理，并从硬件的角度来阐述这些要求。

我做的工作主要是：

1. 查阅各种芯片资料，提出各种设计方案 2. 使用MULTISIM8.0对各种方案进行仿真。

3. 选定方案后用PROTEL设计出硬件电路板，并交付厂家制作。 4. 电路的制作和调试

在测试时可以调出8kHz脉冲，可调方波，正弦波信号以及各种实验所需的常用电源。在输入音频信号时，PAM调制解调模块中前置滤波器可以很好的完成滤除高频分量，还能准确的对信号进行平顶采样和恢复出原始信号，并通过反相放大器减小信号的衰减，综上所述，本设计基本完成了预定任务。

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第2章 PAM概述和原理

2.1 PAM原理

2.1.1 采样信号的时域分析

PAM信号常常是由连续时间信号经周期采样得到的，完成这样功能的器件称为采样器，如下图所示，f(t)表示模拟信号，s(t)表示采样脉冲，它具有周期性令其采样周期为T，则有fS(t)f(t)s(t)。这里可以把采样器看成一个每隔T秒闭合一次的电子开关S，开关每接通一次，便得到一个输出取样值。在理想情况下开关闭合时间无限短。

图2.1 信号的采样

在实际采样器中，设开关闭合时间为秒（远小于T）。fs(t)的脉冲强度等于相应瞬时f(t)的幅值，即f(0T)，f(1T)，f(2T)，…f(nT)，因此，理想采样过程可以看成是一个幅值调制过程。采样器好比是一个幅值调制器，理想脉冲序列T(t)作为幅值调制器的载波信号，T(t)的数学表达式为

T(t)其中n0，±1，±2，…

n-s(t-nT)

（2－1）

f(t)调幅后得到的信号，即采样信号fs(t)为

fS(t)f(t)T(t)f(t)s(tnT)

n （2－2）

通常在控制系统中，假设当t0时，信号f(t)0，因此

fS(t)f(0)s(t)f(T)s(tT)f(2T)s(t2T)

f(nT)s(tnT) （2－3）

或

fS(t)f(nT)s(tnT)

n0 （2－4）

式（2－4）为一无穷项和式，每一项中的s(tnT)表示脉冲出现的时刻；而f(nT)代

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表这一时刻的脉冲强度。

f（t） fs（t） t 图2.2 理想采样信号

t

2.1.2 采样信号的频域分析

式（2－2）或（2－4）表示了采样前的连续信号与采样后的离散信号之间的关系。然而，一个值得提出的问题是：采样后的断续信号能否全面而真实地代表原来的连续信号呢？或者说它是否包含了原连续信号的全部信息呢？因为从采样（离散化）过程来看，“采样”是有可能会损失信息的。下面我们将从频率域着手研究这个问题。

假设连续信号f(t)的傅氏变换式为F(j)，采样后信号fS(t)的傅氏变换式用

FS(j)表示，下面引出FS(j)的具体表达式。

由于理想脉冲序列s(t)是一个周期函数，其周期为T，因此它可以展开成指数形式的傅氏级数，即

1jnsts(t)s

Tn （2－5）

其中S2T为采样角频率。

将式（2－5）的结果代入（2－2）式得

1fS(t)f(t)s(t)s(t)ejnst

Tn （2－6）

若[e(t)]F(j)，则

[e(t)eat]F(ja)

因此，式（2－6）的傅氏变换式为

1 [fS(t)]FS(j)f(jjns) （2－7）

Tn可得到如下结论：

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（1）n0的项为

1F(j)，通常称为基本频谱。它正比于原连续信号f(t)的频T1F(jjns)，其T谱。

（2） 同时派生出以s为周期的，无限多个高频频谱分量

中n±1，±2，…

以上表明了连续信号与它所对应的离散信号在频谱上的差别。从傅氏变换及其反变换的有关定理可知，在一定条件下，原函数f(t)与其傅氏变换式F(j)是一一对应的，亦即由傅氏变换式F(j)可以唯一地还原成原函数f(t)。可以设想，如果让采样信号通过一个理想滤波器，将所有派生出来的高频分量全部滤掉，而同时保留其基本频谱信号。那么经过这样处理后的信号，只要将其幅值放大T倍，就能完全重现原信号。

要想完全滤掉高频分量，筛选出基本频谱，从而根据采样信号fS(t)来复现采样前的连续信号f(t)，采样频率S必须大于或等于连续信号f(t)频谱中最高频率max的两倍，即

S2max

（2－8）

根据这一定理只要采样频率足够高，就完全不必担心采样过程会损失任何信息。

若采样频率不够高，即S2max时，则将会出现频谱重叠现象。很明显，这时，

就无法再把基本频谱和派生高频频谱分开；从而，也就无法重现原信号，或者说，采样过程将损失信息。另外，需要指出的是理想滤波器实际上是不存在的。因此在工程上，通常采用性能与理想滤波器相近似的低通滤波器，其中最常用的低通滤波器就是零阶保持器。

2.2 滤波器的原理

为了能准确的恢复信号f(t)，必须以超过f(t)最高频率分量两倍的频率对其进行采样，实际上许多信号包含了频率分量的全部频谱，即从有用的频谱到白噪声的频谱，要精确的恢复这些信息，要求系统具有无法实现的高采样速率。

通过预处理输入信号，可以很容易的克服这个困难，其方法是在采样数据输入之前，采取措施限制带宽或则进行频率滤除。前置滤波器通常称为抗混叠保证滤波器，例如在低通滤波器情况，数据采样系统接受到的模拟信号，其频谱内容不比滤波器允许的那些频率高。

所以在考虑语音信号的干扰信号的频谱时，可以采用限制宽带的方法，如果低通滤波器预先限制带宽，产生于语音信号的噪声的研究将得到简化。

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2.2.1 设计要点

要得到一个完全理想的滤波器是无法用一个运放组成的。即使可能，由于各个元件之间的复杂互感而导致设计者要用非常复杂的计算才能完成滤波器的设计。通常对波形的控制要求越复杂就意味者需要更多的运放，这将根据设计者可以接受的最大畸变来决定。或者可以通过几次实验而最终确定下来。如果设计者希望用最少的元件来实现滤波器，那么就别无选择，只能使用传统的滤波器，通过计算就可以得到了。

这里主要考虑以下几点： 1. 滤波器的拐点（中心）频率 2. 滤波器电路的增益

3. 低通和高通滤波器的类型（Butterworth、Chebyshev、Bessel）

2.2.2 滤波器的原理及论证

理想滤波电路的频响在通带内应具有一定幅值和线形相移，而在阻带内其幅值为0，实际中滤波器的设计往往难以在幅频和相频响应都能达到理想的要求，因此只能根据实际情况设计不同的滤波器来寻求最佳的效果，这里对常见的三种滤波电路做个简单的比较。

下图给出了巴特沃斯与贝塞尔（Besse1）、契比雪夫（Chebyshev）滤波器的特性差异。可以看出，巴特沃斯滤波器在线性相位、衰减斜率和加载特性三个方面具有特性均衡的优点，因此在本设计中，巴特沃斯滤波器列为首选。

图2.3 滤波器特性差异图

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巴特沃斯（Butterworth）滤波器是一种具有最大平坦幅度响应的低通滤波器，它在通信领域里已有广泛应用，在电测中也具有广泛的用途，可以作检测信号。它的平方幅度响应为

|H(j)|211c2n （2－9）

其中，n为滤波器的阶数，c为低通滤波器的截止频率。该滤波器具有一些特殊的性质：

① 对所有的n，都有当0时，H(j0)1；

② 对所有的n，都有当C时，H(jC)1/2；即在C处有3dB的衰减；

③ H(j)是C的单调递减函数，即不会出现幅度响应的起伏； ④ 当n→∞时，巴特沃斯滤波器趋向于理想的低通滤波器；

⑤ 在C=0处平方幅度响应的各级导数均存在且等于0，因此H(j)在该点上取得最大值，且具有最大平坦特性。

22222.2.3 Sallen Key滤波器数学分析

为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，可以再加一节RC低通滤波环节，组成Sallen Key二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。

下图是增益为1的巴特沃斯滤波器，是一种流行的、广泛应用的二阶滤波器。它的成本很低，仅需要一个运放和四个无源器件组成。是一个单位增益的电路，改变它的增益同时就改变了滤波器的幅频特性和类型。从下图可以看出，它是有两节RC滤波电路和同相比例放大器组成，其特点是输入阻抗高，输出阻抗低。

图2.4滤波器原理图

根据理想放大器特点可知，运放工作在线形区时，理想运算放大器的的两个

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输入端无电流，即两个输入端开路I0，I0；工作在线形区时VVVO，即虚短路，这里R1R24.7k，RC接在电压跟随器上，所以通带内的增益为

Av1 （2－10） 从上图可以看出

VOAvpV()V()V() （2－11）

VI'VOjC2VO R2VI'VO(1jR2C2) （2－12）

对于VI'所在的那一点，它的电流是通过C1和C2电流的和，又因为R1=R2，则有，

VVIVI'VI'VO O （2－13）

11R1jC1jC2把（2-12）代入（2-13），得出

VI(1jR2C2)VOjC2VOjC1jR2C2VO

R1VI(1jR2C2)VOjR1C2VO2R1C1R2C2VO

VI(12R1C1R2C2)VOj(R1R2)C2VO

H()

VO1VI12R1C1R2C2j(R1R2)C21(12R1C1R2C2)j(R1R2)C2

则有 fC12πR1R2C1C2 （2－14）

可见合理调整电阻电容的值，即可得到不同拐点频率fC，从而可以设计不同特性的滤波器。

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第3章 PAM采样系统的实现

3.1 PAM系统框图

如下图所示，信号处理操作以前，模拟的输入信号必须预处理以期防止混叠，然后数字化成逻辑信号如（TTL）用于逻辑功能模块，在通常的情况下，A/D模块可以独立的进行工作，可是在许多调整的操作中，转换器的速度是不够的，由此要求采样保持和滤波电路（包括前置滤波器和信号恢复时的平滑滤波器）的配合工作。

前置滤波器 放大电路 采样保持电路 解调滤波电路 脉冲产生电路

图3.1 PAM系统框图

以上是电路各个功能模块，在实际应用中，可以采用4066或者LF398等器件来实现，也可以通过一个单管调制器来达到采样的目的。

3.2 电压保持电路

3.2.1 采样保持电路的原理

因为任何一种模数转换器都需要一定的时间来完成量化及编码操作。而在这一小段时间内（称为孔径时间），模拟量仍在变化，则在此时间进行量化就会产生误差（称为孔径误差）。

为了解决ADC 转换时间较长和孔径时间要求很短之间的矛盾，要求在ADC 之前加上保持电路。

采样保持电路有两种基本形式：a）开环的快速采样保持电路，输出缓冲，提供高输入阻抗；b）闭环采样保持电路在采样期间保持电容CH包含在反馈环内，因而保持电压有较高的精度和线性度。

在采样中，一般要用到保持电路，典型的电压保持器电路如下：

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图3.2 电压保持电路

在实际应用中，运放电路对电容器有附加的要求，且和高阻抗电路结合起来，频率的调整和电荷测量电路需要能控制电容的容差，温度漂移和随温度变化的稳定性。

同时大量的实验证实，运放的选择要输入阻抗足够大，如TL081（4）等FET运放，电容一般选择为0.01F到10F之间，但是如果是普通的瓷片电容的话其电压保持效果不是很好。

其中最主要的原因是电介质的吸收，它能使一个已经快速充了电的电容经过数毫秒以后漂移到充电以前的水平，这种效应在电压保持电路中最为明显，总体而言，聚苯乙烯，聚四氟乙烯和NPO陶瓷电容表现的比较令人满意。

图3.3 改进后的电压保持电路

以下是采样保持电路的MULTISIM仿真，在实际电路中，保持电路表现的并不是很理想，由于在本设计中，采用的采样频率很低，要求有很长时间的电压保持时间，主要原因是高阻抗的运放的选取有一定的难度，同时还要有很高的绝

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缘电阻，充电电容也要有很低的漏电系数，而这些都是很难自己把握的东西。因此在实际设计中最终还是放弃了此方法。

图3.4 采样保持电路

3.2.2 目前常用的采样保持芯片

上面的电路实现的是自然采样，然后用电压保持器对其进行保持，实际中集成采样保持芯片在电压变化快的电路中应用的更为广泛，这里介绍几种器件来实现平顶采样，目前取样/保持电路大多为集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD582。下图为LF398的内部原理图及管脚配置。由下图可知，当8端逻辑控制为高电平时，输出处于跟随状态，有UoUi；当8端为低电平时，处于保持状态。保持电容CH一般选用0.010.1F的优质电容（如聚四氟乙烯电容）。

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图3.5 LF398原理图

3.2.3 对保持电容大小的分析

由于采样保持电路可以做成集成芯片，而电容器是外接元件，所以选择电容器的大小很重要。电容器容量的大小与以下几个因素有关：

a）与采样频率fS有关；采样频率fS取决于模拟信号频率fX，由采样定理

fSfX，实际工作中fSfX。而采样频率fS与电路中的时间常数RC有关，

电阻R是一常数，电容C越大，时间常数也越大。所以，如果电容器C太大，而信号频率fX较低，就可能在保持过程中电容器的电压没有充到信号源的电压或响应速度慢。

b）与泄漏电流有关;当电容器的容值CH太小时，电压下降速率就大，由下式可以看出：VtiSCH。电容上的电压与实际信号源的误差太大。

所以保持电容器电容量的大小它不是一个定值，它可以在一定范围内取值，其电容量的大小可以根据实践经验通过实验来确定。

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3.3 滤波器的MULTISIM仿真及分析

MULTISIM是一种优秀的电路仿真软件，其优点是：完整、实用、直观、方便、安全。因此根据设计需要，这里采用这个软件对其进行仿真分析。

由采样定理可知，抗混叠滤波器应该限制输入信号的频谱宽度，但实际上，滤波器不是理想的，它有衰减，限制带宽和相位的特性，在数据采样系统中，通常认为通过衰减的量值小于使用的特定转换器决定的均方根量化噪声量值能够实现带限。以下是滤波器的MULTISIM仿真。

图3.6滤波器MULTISIM仿真

上图中BODE PLOTTER-XBP1和2分别接前面两个二阶滤波器，BODE PLOTTER-XBP4测试四阶滤波器，从图可以看出，通过滤波器后，通频带中的频率分量受到衰减，发生了变化，对于有用信号而言，滤波器通频带的频率特性基本是平坦的，对于整个前置滤波器（四阶滤波器）来说，在-2.599dB时的频率为3.761kHz，所以在平坦部分小于3.8kHz，基本符合-3dB处为3.8kHz的设计要求。

还有，滤波器的设计还要考虑延迟效应，在做最后分析时，还必须考虑滤波器的复杂程度，采样速率和系统带宽。

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以上结果也可以从理论上来说明论证，从下图可知巴特沃斯低通滤波器随着阶数的增加，其幅频特性越向理想特性逼近，所以本设计中采用级连的方式组成四阶低通滤波器（图2.6）。根据它的特性可知其截止频率由R401，R402，C401，C402共同决定，且

fc12πR1R2R3R4C1C2C3C44 （3－1）

这里它们分别取值为4.7k，4.7k，4.7k，4.7k，0.01F，0.0082F，

0.022F，0.0033F，经计算可以得出拐点频率为3800Hz左右。

图3.7 巴特沃斯低通滤波器幅频特性

3.4 PAM调制解调模块电路

如下图，将一个语音信号通过一个3800Hz的低通滤波器，限制语音信号的最高频率为3800Hz，这样就可以用频率大于或等于7600Hz的样值序列来表示，在这里接上8kHz的脉冲来来做抽样频率，并用信号发生模块调一个300-3400Hz的信号来代替语音信号，信号经运放缓冲输出，然后用LF398来采样，后面接的低通滤波器则是用来恢复原始信号。

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图3.8 PAM调制解调电路

3.5 脉冲产生模块电路

电路采用4MHz晶振74LS04等组成一个4MHz的方波振荡器，然后采用74LS74和74LS161分频进行多次分频，产生8kHz，128 kHz的方波，然后经过74LS161的三路与非后再经过74LS04后输出一个8kHz的脉冲波，为了提高脉冲波形性能，这里还在输出端口接一个小电容滤除高次谐波。

图3.9脉冲信号产生模块电路

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第4章 信号产生电路与电源的实现

4.1 信号发生器概述和原理

最早用于实验教学用的信号发生器最早的信号发生器使用一个简单的射频振荡器和改变调谐电路的电容或电感来改变频率。但是目前最热门的是直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis，简称DDS 或DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。

但是，在实验室中，只要比较简单的电路就可产生，如相移，文氏桥，LC负阻抗法，音叉法，晶振法，三角波驱动断点整形，三角波对数整形，DAC对数整形和ROM驱动DAC等多种方法。

以上使用模拟技术和数字技术获得的各种方法都有自己的优缺点，适合在不同的场合使用。

4.1.1 相移法

采用此种方法， 电路简单，只需一块运放还可以单电源供电，更重要的是器件价格便宜，Q3与RC回路组成一个相移电路，以12MHz的频率振荡，其它电路用于幅度稳定，Q3集电极的高阻抗输出到LM324输入端前经过了10F和1M串联网络，这个1M电阻与50k电阻连接，从而将LM324的输出电压降为Q3输出电压的1/12，在这时放大器用做单位增益电流缓冲器，用于驱动560欧负载。放大器输出正向电压经检波后存于5F电容中，这个电压送到Q1基极，Q1集电极随基极和发射极电压差的变化而变化，由于LM313稳压二极管的作用使得Q1发射极电压固定为一个为1.2V的参考电压，因而Q1具有比较功能，其集电极电流调制Q2基极电压，在这里Q2为射极跟随器，为Q3提供能量（伺服控制），如果Q3发射极开路而由控制电压驱动，电路将产生正弦波。根据MULTISIM仿真可知，输出幅度为5V左右。在实际应用中，它的可调性太差，而且有着比较大的失真，不大适合在实验室使用。其仿真如下所示：

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图4.1 相移法信号发生器

4.1.2 文氏桥

和相移法相比，文氏桥只要振荡频率上环路增益为1，就可产生低失真的振荡，其典型失真为0.01%，幅度稳定性为1，但是可调性太差，对频率和幅度的跃阶改变需要比较长的建立时间，限制它的应用范围。

4.1.3 集成电路ICL8038

ICL8038是可同时输出三角波、方波和正弦波的单片集成压控波形发生器，内部方框图如图4.2所示。它由两个电流源、两个电压比较器、一个触发器、一个方波输出缓冲器（缓冲Ⅱ）、一个三角波输出缓冲器（缓冲I）和一个正弦渡变换电路组成。外接定时电容器CT的充放电受电流源控制，当触发器输出Q=0时，开关S断开，电流源对CT充电，充电电流使CT两端电压上升，当该电压上升到比较器I的门限电平（设定为电源电压的2/3）时，触发器置位，Q=1，开关S接通，电流源对CT反充电；与正向充电电流一样，反向充电过程中，CT上的电压线性下降，当降至比较器Ⅱ的门限电平（设定为电源电压 的1/3）时，触发器复位，Q=0。如此周而复始，在CT上形成一个线性三角波电压。该电压经缓冲器I后在3端输出．触发器Q端的方波电压经缓冲放大器Ⅱ的9端输出，对称三角波经二极管网络组成的正弦波变换电路后．从2端输出正弦波，输出波形的频率范围为0.01Hz-300kHz，频率由外接的定时电容按下式决定：

f3/5RACT[1RB/(2RARB)]

（4－1）

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若RARBRT，则f0.3/RTCT，若两个定时电阻合并成一个时，则频率为：

f0.15/RTCT 输出非对称的三角波或近似的锯齿波。

（4－2）

改变两个外接电阻的阻值比，方波的占空比可在2％-98％之间变化，此时，3端

图4.2 ICL8038原理图

4.2 信号发生器的设计

4.2.1 信号发生器设计方案论证

考虑到实验室应用的特点，做出容易调节，电路简单的正弦信号发生器并非易事，在此对各种信号产生电路逐个分析比较，在设计过程中，除此之外，还要考虑的器件的成本和实现的难度，采购难度。

方案一：采用运放制作简易信号发生器，实现简单，但是调节难度大，不适合在实验室使用。

方案二：用运放构成一个RC振荡器产生一个可调的方波，然后由一个高通滤波器和低通滤波器滤出合适的正弦波，按图中的数值出来，仿真可以调节的频率在500Hz到6.8kHz之间，实际中能得到500Hz到2800Hz的正弦信号。图如下所示：

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图4.3 信号发生器电路

方案三：采用以下电路可以产生0.2Hz到8kHz的方波，三角波和锯齿波，然后通过一个三角波到正弦波的转换电路（差分放大器）来形成正弦波。和以上电路相比，具有可调范围大的特点。在实际应用中，差分放大器转换的效果并不是很好，在2kHz到5kHz之间效果比较好。

图4.4三角波产生电路

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图4.5三角波—正弦波转换电路

方案四：采用单片函数发生芯片8038，MAX038，XR2206等，可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部元件可以改变输出频率。

第一种方案电路实现简单，但调节难度大。第二三种方案也较容易实现，从实验室使用的角度来看，调节范围太小，而且调节困难。基于上述分析，这里选用单片函数发生芯片，考虑到8038现在已经停产，这里采用XR2206。

4.2.2 函数信号产生单元电路设计

通过改变滑动变阻器的阻值来改变频率。电路图如下所示，开关S1闭合则产生正弦波，打开则出来三角波，在11脚则是方波，频率是R3，R6，和C12共同决定。以下电路最低频率可达80Hz，达到实验要求。

图4.6信号产生电路

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4.3 电源设计

现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：线性稳压电源和开关型稳压电源，线性稳压电源稳定性能好，输出纹波很小，缺点是稳压效率比较低，使用体积和重量都较大的变压器，从而增加电源部分的体积和重量，反之开关电源的稳压电源效率高，体积小，重量低，但是输出的纹波以及产生的电磁干扰比较大。

4.3.1 线性稳压电源设计

根据设计要求，在实验室中应用的电源对纹波和电磁干扰的要求比较大，而功率和稳压效率倒在其次，这里采用线形稳压电源。它由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

图4.7 电源组成

射极输出电路的输入是固定值的VZ，因而输出电压VOVZVBE也为固定值。当电网电压波动时，由于VZ基本不变，所以VO也基本不变，VI的变化由VCE调节，因此三极管被称为调整管。当RL变化引起IO的变化时，只要IZ在稳压管的正常范围内，VZ就基本保持不变。即VO基本恒定。

图4.8射极输出稳压电路

该电路输出电流的变化可扩大为(1)IZ， 因此称为扩流型稳压二极管电路；由于三极管与负载是串联的关系， 因此电路也称为串联型稳压电路。 为了改进稳压性能和使输出电压可随意调节， 可引入深度负反馈使输出电阻降低，引入可随意调节放大倍数的放大器以改变输出电压。

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4.3.2 电源电流的扩展

需要比较大的电流时， 可以采用其他型号的集成电路或使用如右图所示的扩流电路。该电路的输出电流IOIO1IO1，其中

IO1ICIO20.7/R1（4－3）

该电路具有过流保护功能， 正常工作时，T2、T3截止；当IO过流时，IO1增

大， 限流电阻R3的压降增大使T3、T2相继导通，T1的VBE降低，限制了T1的IC1，保护T1不致因过流而损坏。其原理图如下所示，在实际应用中，也可以并连三端稳压管扩展电流：

图4.9电源电流扩展电路

4.3.3 直流稳压电路单元的设计

本模块采用整流滤波电路和稳压电路组成，考虑到在实验用的电源精度要求不高，这里采用比较常见的三端稳压管来组成稳压电路，用C1和C2来滤出纹波，输出端者接一个C9，C10等小电容来消除自激振荡，以确保电路稳定工作，同时，为了防止输出端与地的短路时电容上的电压损坏稳压器，这里还接上D2，D3两个二极管。

此电路性能稳定，结构简单，经济实用，适合在实验室使用。为了进一步减小纹波，这里采用了多级降压的方法，同时，也更符合三端稳压管的使用特点。

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图4.10 电源电路

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第5章 系统测试分析

5.1 系统各模块的最终方案

经过仔细分析和论证，决定了系统各个模块的最终方案如下。 （1）脉冲产生模块：74系列集成片； （2）电源模块：采用三端稳压管；

（3）函数信号发生模块：采用单片函数发生芯片； （4）PAM调制解调模块：采用采样保持LF398制作

电源模块给各个部分供电，函数信号发生模块和脉冲产生模块分别提供采样所需的信号和脉冲信号。

5.2 系统测试和结果分析

电路制作完成后，根据设计要求对各个模块分别进行测试，先测试电源电压，纹波等指标，然后测试信号发生器的频率范围和幅度范围，接着测试脉冲波发生模块和采样定理模块是否正常，最后把所有模块综合起来测试。

5.2.1 电源模块测试

电源设计中，最重要的是纹波，输出电压和最大输出电流等参数，这里利用实验室现有器材对电源模块进行测试，这里首先对各个电压输出点的电压测试，测试各点电压，无负载情况下5V电源最高输出5.043V，其它电压测试点与设计要求相比也均无超过0.36V，电源部分用示波器观察，电源稳波最大为30mV，最小为1.2mV，基本符合设计要求，具体数据如下表所示：

表5.1 电源测试结果

要求输出电压（V） 12 9 5 5.043 1.2 350 -5 -4.963 20 -9 -9.113 30 -12 -11.741 1.6 实际输出电压（V） 11.817 8.965 纹波（mV） 最大输出电流（mA） 2 1.2 在测试最大输出电流的时候，如果不是选择功率电阻，造成每次测试快完成的时候电阻严重发热，影响了测试数据的进一步收集和测试数据的准确性。

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5.2.2 信号产生模块测试

由于缺少专门的仪器，这里只做了一些比较重要数据简单的测试，其具体结果如下：

1.输出波形有三角波，正弦波，方波和8kHz脉冲。

2.正弦频率范围 80Hz-110kHz连续可调。达到实验室300Hz-3400kHz的使用要求。

3.幅度范围为0.5-6Vpp。

4.脉冲（8kHz）持续时间为0.78μs。 5.方波上升时间40μs。

5.2.3 PAM模块测试

输入正弦信号峰峰值固定为2V，在不同的频率下信号通过前置滤波器后的输出幅度。

表5.2 滤波器的测试

输入频率（Hz） 输出幅度V 输入频率Hz 输出幅度V 输入频率 输出幅度 2 1600 1.944 3200 1.67 1.984 1800 1.936 3500 1.612 1.976 2000 1.928 3800 1.304 1.968 2300 1.904 4100 1.104 1.96 2600 1.888 4300 0.99 1.952 2900 1.792 300 500 800 1000 1200 1400 这里使用MATLAB对上表数据进行滤波器幅频特性曲线仿真，从图5.1可以看出-3dB时大概在3600Hz和3700Hz之间，在输入频率为300Hz-3800Hz的时候，信号衰减都很小且比较平坦，在3800Hz以下时，输出幅度急剧降低，基本符合MULTISIM仿真和理论分析结果。

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图5.1 幅频特性的MATLAB绘制

5.2.4 测试结果分析

本题目的关键测试是脉冲波的输出质量，直流稳压电源的纹波和稳压系数，分立元件由于精确度的问题，所以问题可能比较多，无法达到预期的效果。直流稳压电源的质量也会影响调试结果，在测试过程中发现，模拟开关单电源供电的效果比接上电源的效果要好。

信号发生器在能产生方波，正弦和三角波三中波形在115Hz-20kHz之间连续可调且失真较少。

脉冲和信号发生部分，实现频率约4.096MHz方波及其2分频的频率，最低频率1kHz，实际产生脉冲为7.99kHz，基本符合要求。

为了达到更好的效果，这里最终还是采用了LF398来代替采样保持电路。在采样中，采用8kHz的方波明显要比8kHz脉冲衰减要小。采样以前后示波器波形如下图所示意：

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图5.2 采用8kHz方波信号恢复前后

上图中，上面的波形是采样以前的输入信号，下面的波形是恢复后的结果。

图5.3 采用8kHz方波采样前后比较

从上面两个图可以看出，在8K速率对330HZ的正弦信号进行采样，基本不

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产生失真（如图5.2）。虽然采样后有一定的衰减，但是由于在滤波电路前加了个反相放大器用于补偿，消除了采样后产生的失真。

图5.4 采用8kHz脉冲采样

图5.5 采用8kHz脉冲恢复前后比较

在图5.4和5.5中，采用的是8kHz脉冲采样，由于脉冲采样时间过短，恢复信号有明显衰减，实际中可以采用增益可调的放大器，以消除衰减。

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第6章 结论

本设计采用脉冲产生模块，函数信号发生模块，电源模块，PAM编译码模块等四个模块。硬件电路力求使用经济实用的器件来满足通信原理实验室应用需求。

我的毕业设计和别人相比，时间长，难度也比较大，由于信号发生器和电源模块即将投入我校实验室使用，所以还要考虑的器件的采购，价格，调试的难度。 在电路设计过程中遇到很多问题，主要如下：

（1）器件参数的选取，有很多MULTISIM 8.0仿真通过的电路在实际中不能达到要求，经过仔细分析或则查询资料等多种途径后才得已解决。特别是信号发生器和电源部分，比如三端稳压管不需要加电源也能产生电压，而关于频率的大小也实在难以令人恭维，我用PROTEL99仿真出来为8MHz多的电路用MULTISIM 8.0居然是32MHz，因为时间关系，后来也没有深究。

（2）在电路设计初期，由于经验不足，没有对一些电路进行隔直处理，结果出来的波形有比较多的直流分量，最后一般都加上了电容。

（3）数据采集系统中，低通滤波器直接用于采样电路之前，以降低高频噪声。之前我对数据采集系统中使用低通滤波器的合理性有着错误的观点。第一种误解是：转换直流或低频信号时不需要低通滤波器。因为这些低频信号是由我的信号发生器产生的，根本没有噪声，因此认为不需要低通滤波器。但是后来查阅资料和仔细分析电路中发现，即使是一个在低频状态下运行的系统，有源/无源模拟器件也会将高频噪声引入信号路径。电阻是一种常见的会产生噪声的无源器件。无论有没有电压或电流激励，每个电阻自身都会产生热电压噪声。在频率达到电阻的寄生电容（0~0.5pF）开始衰减噪声的频率之前，这种噪声的幅值为常数。

运算放大器是有源器件，也会在内部产生噪声。放大器的噪声主要是由前端差分输入对造成的。频率越低，噪声越高。此外，其它有源器件也会产生噪声，如电源内的开关动作。最后，噪声可以从外部信号辐射进入信号路径。

还有一个误解是：采样电路会过滤掉高于采样频率的信号，或者采样频率会限制所转换的信号频率范围。后来发现这两点也是错误的，因为一个采样系统，所以无论信号的频率如何，它是根据所采集的各时间点的快照，在1/2采样频率的范围内给出信号的数字表示，于是就产生了混叠。

所以，在设计的采样定理实验板包括以后有关采样的电路中，必须使用一个

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低通滤波器放在采样电路前。不然采样时信号路径中有不需要的信号，这些信号也会被转换并混叠在输出信号中，这样电路的性能就要大大的降低了。

（4）在最早PCB设计中，为了提高抗干扰能力，采取了共地处理，后来随着学习的深入，发现简单的共地并不能很好的解决干扰问题，真正有用的做法是把模拟地和数字地分开，然后在电源附近汇合。同时，每一级电路地最好分开，才能发挥最佳效果。

以上是我设计过程中遇到的问题，大部分最后还是解决了，但是由于时间、经验和水平有限，电路中仍有不足之处，比如电路规模的精简，电源部分不是可调，有待进一步调试。还有一点遗憾就是没有时间再构思设计一个高电平持续时间稍长的8kHz脉冲用于调试。

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致谢

在将近一个学期中，我要感谢我的老师，我的同学，还有那些传授我经验的那些市场里的老师傅们。有了你们的帮助我才能顺利地完成了我的毕业设计，是你们在我无助的时候给予我鼓励，是你们在我最困难的时候，一直给予我支持，给予宝贵的意见和经验，让我重拾回信心。

这里我要再次感谢我的指导老师张铮老师，由于我很早就开始做毕业设计相关的东西，所以得到的指导也最多，他在实验室里帮助我很多，在我碰到困难的时候，一直在我身边鼓励我，并和我一起研究，一起解决碰到的困难。在后期论文的完善过程中，更加不厌其烦地指导我怎样才能写好论文，怎样修改论文，再一次表示我来自内心的感谢。

这里同时还要感谢工作单位里的领导和同事，感谢他们对我毕业设计的支持和理解，在我毕业设计期间给我很多方便，并在电路设计和PCB制图中给予我的指导。

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参考文献

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[5] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武昌：华中理工大学出版社. 1996 [7] 王力，张伟. PROTEL 99 SE典型实例. 人民邮电出版社. 2006

[8] 刘盾. 模拟电子技术基础学习指导与提高. 北京航空航天大学出版社. 2005 [9] Bernard Sklar. Digital Communications Fundamentals and Applications. Second edition. Publishing House of Electronics Industry. 2002

[10] Leonard S. Bobrow. Fundamentals of Electrical Engineering. Oxford University Press. 1996

[11] National Semiconductor Application Note 236. An Introduction to the Sampling Theorem. 1980

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附录1 电源与信号电路原理图

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附录2 PAM调制与解调电路原理图

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附录3 PAM调制解调模块PCB板图（反面）

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附录4 PAM调制解调模块PCB板图（正面）

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附录5 电源与信号产生模块PCB板图

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附录6 电路板图

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